机械原理与设计平面连杆机构
《机械原理》第四章 平面连杆机构及其设计
2. 急回特性和行程速比系数
判断下列机构是否具有急回特性：
双曲柄机构和对心曲柄滑块机构适 当组合后，也可能产生急回特性。
机械原理
小结：
第四章 平面连杆机构及其设计
2. 急回特性和行程速比系数
1）急回特性的作用：节省空回行程的时间，提高劳动生产 率。 2）急回特性具有方向性，当原动件的回转方向改变时，急 回的行程也跟着改变。 3）对于有急回运动要求的机械，先确定K，再求θ。
∆DB1C1 中 : a + d ≤ b + c ∆DB2C 2 中 : b ≤ (d-a ) + c
(a ) 即 a+b≤c+d 即 a+c ≤ b+d
c ≤ (d-a ) + b (a ) + (b )，得 a ≤ c (a ) + (c )，得 a ≤ b
(b ) + (c )，得 a ≤ d
手摇唧筒
固定滑块3成为唧筒外壳，导杆4的下端固结着汲水活塞，在 唧筒3的内部上下移动，实现汲水的目的。
机械原理
2 . 平面四杆机构的演化形式 ( ) 运动副元素的逆换 4
第四章 平面连杆机构及其设计
将移动副两元素的包容关系进行逆换，并不影响两构件 之间的相对运动，但却能演化成不同的机构。
构件2 包容 构件3 导杆机构
4-2
平面四杆机构的类型和应用
1. 平面四杆机构的基本形式 2. 平面四杆机构的演化形式
机械原理
第四章 平面连杆机构及其设计
铰链四杆机构 1. 平面四杆机构的基本形式：
机架：固定不动的构件，如AD 杆 连杆：不直接与机架相连的构件，如BC杆 连架杆：直接与机架相连的构件，如AB、CD 杆 曲柄：能作整周转动的连架杆，如AB 杆 摇杆：不能作整周转动的连架杆，如CD 杆
机械原理 平面连杆机构及设计
机械原理平面连杆机构及设计平面连杆机构是机械原理中最经典也是最重要的一种机构类型之一。
这种机构由多个刚性杆件组成，每个杆件都能在平面内移动，它们通过连接点（铰链/球头）相互连接。
平面连杆机构在机械工程领域中有着广泛的应用，能够实现很多不同的机械运动和工作原理。
平面连杆机构中最重要的构件是连杆，也就是连接各个零件的关键杆件，如果连杆设计不合适可能导致机构性能的下降。
因此，平面连杆机构的设计要受到重视，需要考虑以下几个因素。
一、长度比例连杆不同长度比例的设置，对整个机构的运动特性和反应速度有着很大的影响。
在设计平面连杆机构时，需要根据机构所要完成的任务，选择恰当的连杆长度比例，保证机构的平衡性和可靠性，以及使机构的工作效率更高。
二、铰链/球头的位置铰链/球头是平面连杆机构中的关键组成部分。
在设计平面连杆机构时，需要合理选择铰链/球头的位置，以达到机构所要完成的特定任务。
如果铰链/球头设置不当，或者位置过分集中，会使机构不平衡或失效。
因此，设计者需要考虑连杆的长度、位置、形状和角度等因素。
三、材质选择平面连杆机构的设计材料非常重要，它将直接影响到机构的质量和强度。
不同材料的连接部分，对于平面连杆机构的工作效率和稳定性有着非凡的意义。
因此，在设计时，应本着安全、可靠、实用的原则，选用优质、耐用的材料，确保机构长期稳定、可靠的工作。
以汽车减震器为例，汽车减震器中使用的是多连杆机构原理，作为一种基于平面连杆机构的机构类型，它通过几个连杆的特定结构和布局，使得整个减震器能够更好地适应路况，缓解车辆的震动和冲击。
汽车减震器的设计考虑了多个因素，包括结构的稳定性和可靠性，杆件的材质和尺寸比例等。
总结来说，平面连杆机构是机械原理中非常重要的一种机构类型，广泛应用于机械和工程领域，需要经过仔细的设计和考虑，才能达到最好的运转效果。
设计者需要从多个维度进行考虑，包括长度比例、铰链/球头的位置、材质选择等等。
这些因素的合理应用，能够使平面连杆机构能够更好地适应不同的任务需求，达到最高的技术性能和质量水平。
机械原理课件8平面连杆机构与设计说明
切向分力:
法向分力:
FFco sFsin FFcos
n
▲切向分力F ′越大,机构的传力
性能越好,法向分力 F″越大,机
构的传力性能越差
B
结论：
A
为保证机构的传力
F″
t
C γα F
F′ t
F ″ T′
D
F′
性能，压力角α不能
过大，传动角γ不能过小。
设计时要求:γmin≥50°
γmin出现的位置：
当 最小或最大时，都有可能出现
§8－2平面四杆机构的类型和应用
一. 平面四杆机构的基本形式 铰链四杆机构
双曲柄机构
曲柄摇杆机构
双摇杆机构
各铰部链名四称杆及机运构动形式 机是构架平的面基固四本定杆形的机式构件 连架杆 直接与机架相连接的杆件
连杆
B
铰曲链柄曲四柄能杆摇整机杆周构机转的构动三的种构基件本形式连为架：杆
A
摇杆 只双能曲做柄非机整构周摆动的连架杆
A
4
B
A1
2 3 C 导杆机构,动画
4
转动导杆机构 摆动导杆机构
曲柄滑块机构演化实例
B 1
A
2 3
4
C
曲柄摇块机构〔连杆作机架
B 1 A
4
2
C 3
DC
B A
自卸卡车举升机构
移动导杆机构
B BBB 11 1
222
A AA A
3333 CCC 444
B 1
A
2 3
4
C
曲柄滑块机构
B 1
A
手摇唧筒
2 3
F’ E’
C’
D’
G’
机械原理 第三章 平面连杆机构及其设计
2
二、连杆机构的特点 优点：
• 承受载荷大，便于润滑
• 制造方便，易获得较高的精度 • 两构件之间的接触靠几何封闭实现 • 实现多种运动规律和轨迹要求
y B a A Φ b β c ψ ψ0 C B φ A D M3
3
连杆曲线
M
M1
M2
连杆
φ0
d
D
x
缺点：
• 不易精确实现各种运动规律和轨迹要求；
27
55
20
40
70
80 (b)
例2：若要求该机构为曲 柄摇杆机构，问AB杆尺寸 应为多少？
解：1.设AB为最短杆
即 LAB+110≤60+70 2.设AB为最长杆 即 LAB+60≤110+70 3.设AB为中间杆 即 110+60≤LAB+70 100≤LAB LAB≤120 A
70
C
60
B
110
FB
D
36
2、最小传动角出现的位置
C b
F VC
B
c
A
d
D
当 为锐角时，传动角 = 当为钝角时，传动角 = 180º - 在三角形ABD中：BD² =a² +d² -2adcos 在三角形BCD中：BD² =b² +c² -2bccos (1) (2)
37
由（1）=（2）得：
b2 c 2 a 2 d 2 2ad cos cos 2bc
1）当 = 0º 时，即曲柄与机架重叠共线，cos =+1， 取最小值。
min
b c (d a ) arccos 2bc
机械原理第二章连杆机构(杨家军版)
3、平面连杆机构的应用
机械手
汽车中那些部位用到连杆机构
起重装置
§3-2 平面四杆机构的基本类型及应用
一、平面四杆机构的基本形式 1. 构件及运动副名称 构件名称：
连架杆——与机架连接的构件 曲柄——作整周回转的连架杆 摇杆——作来回摆动的连架杆 连杆——未与机架连接的构件 机架——固定不动的构件
α1 180° +θ t1 V2 ω = α = = = 180° -θ V1 2 t2 ω
连杆机构输出件具有急回特性的条件： 1）原动件等角速整周转动； 2）输出件具有正、反行程的往复运动； 3）极位夹角θ >0。
分析： 180° +θ K= 180° -θ
K≥1,K=1时无急回特性
设计具有急回特性的机构时，一般先根据使用要求给 定K值，则有 (K-1) θ=180° (K+1) θ＝ 0 θ≠0 θ↑,K↑,急回运动越明显，一般取K＜2
●导杆机构（曲柄为主动件） ●导杆机构（摇杆为主动件）
α B2 ≡0°
3 2 1 3 A B VB2 D 4 FB2 1 2 FB3 B D VB2 FB2 FB1
机构压力角:在不计摩擦力、惯性力和重力的条件下， 机构中驱使输出件运动的力的方向线与输出件上受 力点的速度方向间所夹的锐角，称为机构压力角， 通常用α 表示。P50
传动角：压力角的余角。 通常用γ 表示.
F2 C
B
A
δ
D
γ F α
F1
vc
机构的传动角和压力角作出如下规定： γ min≥[γ ]；[γ ]= 3060°； α max≤[α ]。 [γ ]、[α ]分别为许用传动角和许用压力角。
C
(2) 推广到导杆机构 结论：有急回特性，且极位夹角等于摆杆摆角，即
机械原理第五章 连杆机构设计
4. 曲柄滑块机构存在曲柄的条件
根据曲柄摇杆机构的演化过程及曲柄摇杆机构曲柄存在的 条件，机架为无穷大+偏距e，则有： 偏置曲柄滑块机构有曲柄的条件：
a
b
① a＋e≤b； ② a为最短杆。
若偏距=0，则得对心曲柄滑块机构有曲柄的条件：
① a≤b； ② a为最短杆。
例5-1 图示铰链四杆机构，lBC=50mm，lCD=35mm， lAD=30mm，AD为机架，若为曲柄摇杆机构， 试讨论lAB的取值范围。
机械原理 第五章 平面连杆机构及其设计
§5-1 平面连杆机构的应用及传动特点
§5-2 平面四杆机构的类型和应用
§5-3 平面四杆机构的一些共性问题 §5-4 平面四杆机构的设计
§5-1 平面连杆机构的应用及传动特点
应用举例 如：四足机器人（图片、动画）、内燃机中的曲柄滑块机构、 汽车刮水器、缝纫机踏板机构、仪表指示机构等。
锻压机肘杆机构
可变行程滑块机构
汽车空气泵
单侧曲线槽导杆机构
3）可用于远距离操纵、重载机构，如：自行车手闸机构，挖掘 机等。 4）连杆曲线丰富，可实现特定的轨迹要求，如：搅拌机构， 鹤式起重机等。
挖掘机
搅拌机构
鹤式起重机
二、平面连杆机构的缺点 1）运动副中的间隙会造成较大累积误差，运动精度较低。 2）多杆机构设计复杂，效率低。 3）多数构件作变速运动，其惯性力难以平衡，不适用于高速。 多杆机构大都是四杆机构组合或扩展的结果。 六杆机构及六杆机构的实际应用 本章介绍四杆机构的分析和设计。
1）最短杆长度＋最长杆长度≤其余两杆长度之和；（杆长条件） 2）组成该周转副的两杆中必有一杆为最短杆。 2. 铰链四杆机构存在曲柄的条件
1）各杆长度应满足杆长条件； 2）最短杆为连架杆或机架。
机械原理-平面连杆机构及设计
平面连杆机构的运动分析
1
位置分析
通过几何和三角学的方法，确定各个连
速度分析
2
杆和转轴的位置。
计算各个部件的速度，了解机构的运动
特性。
3
加速度分析
研究连杆的加速度，对机械系统的稳定 性和性能影响重大。
平面连杆机构的设计原则
力学平衡Biblioteka 确保各个连杆和转轴保持力学平衡，避免不必 要的应力。
优化尺寸
选择合适的尺寸和比例，以提高系统的性能和 耐久性。
机械原理-平面连杆机构及设计
探索机械原理中的平面连杆机构，深入了解其组成部分、运动分析、设计原 则、类型和应用领域。
什么是平面连杆机构
平面连杆机构是由连杆和旋转副组成的机械装置，用于转换直线运动和旋转运动。它被广泛应用在各种机械设 备和工具中。
平面连杆机构的组成部分
• 连接杆：用于连接各个部件并传递力和运动。 • 转轴：提供连杆的旋转运动。 • 摩擦面或球面：减小连杆关节的摩擦。 • 约束物：限制连杆的自由运动。
减小摩擦
使用适当的润滑和设计摩擦减小装置，提高效 率。
动态平衡
通过合理设计和调整质量分布，减少系统的振 动。
常见的平面连杆机构类型
滑块曲柄机构
由连接杆、连杆、中心轴和滑块 组成，广泛应用在汽车和机床。
钟摆式机构
采用钟摆原理，具有稳定的运动 轨迹，用于摆锤和钟表。
平行连杆机构
通过平行排列的连杆传递运动和 力，在工程和自动化领域有广泛 应用。
平面连杆机构的应用领域
1 工业生产设备
机械加工、装配线和工厂自动化。
3 家庭用具
打印机、洗衣机和电动工具。
2 交通运输工具
汽车、火车和航空器。
机械原理平面连杆机构及设计
机械原理平面连杆机构及设计平面连杆机构是一种最为基本的机械结构，由于其结构简单、运动可靠等特点，被广泛应用于各种机械设备中。
本文将对平面连杆机构进行介绍，并探讨其设计原理。
平面连杆机构是由至少一个定点和至少三个连杆组成的机构。
定点为固定参考点，连杆是由铰链连接的刚性杆件。
连杆可以分为连杆和曲柄，连杆连接在定点上，曲柄则旋转。
平面连杆机构的运动由这些连杆的位置和相互连接方式决定。
平面连杆机构的设计原理基于以下几个方面：1.运动分析：在设计平面连杆机构之前，首先需要进行运动分析，确定所需的运动类型。
运动类型可以是旋转、平移、摆动、滑动等。
通过运动分析，可以确定连杆的长度和相互连接的方式。
2.运动性能：平面连杆机构的优点是运动可靠，但运动性能也是需要考虑的重要因素。
例如，设计中需要考虑速度、加速度、力和力矩等参数，以满足机构的运动要求。
3.静力学分析：平面连杆机构在工作过程中可能会受到外力的作用，因此需要进行静力学分析。
静力学分析可以确定机构的力矩和应力，从而确定设计的合理性。
4.运动合成：在进行平面连杆机构的设计过程中，需要进行连杆的运动合成。
运动合成是指通过选择适当的连杆长度和连接方式，实现所需的运动类型。
5.运动分解：运动分解是指将合成的运动分解为各个连杆的运动。
通过运动分解，可以确定每个连杆的运动规律，从而进行设计。
当以上原理得到了充分的了解和运用后，可以进行平面连杆机构的具体设计。
具体的设计包括以下几个步骤：1.确定所需的运动类型：根据机械设备的需求，确定所需的运动类型，例如旋转、平移、摆动等。
2.运动分析：对机构进行运动分析，确定连杆的位置和连接方式。
根据机构的运动要求和外力作用，确定连杆的长度。
3.动力学分析：进行动力学分析，确定机构运动时的力学参数，如速度、加速度、力和力矩等。
4.运动合成与分解：根据所需的运动类型，进行运动合成和分解，确定连杆的运动规律。
5.结构设计：根据上述分析和计算结果，进行结构设计。
机械原理课程教案—平面连杆机构及其分析与设计
机械原理课程教案一平面连杆机构及其分析与设计一、教学目标及基本要求1掌握平面连杆机构的基本类型，掌握其演化方法。
2,掌握平面连杆机构的运动特性，包括具有整转副和存在曲柄的条件、急回运动、机构的行程、极限位置、运动的连续性等；3.掌握平面连杆机构运动分析的方法，学会将复杂的平面连杆机构的运动分析问题转换为可用计算机解决的问题。
4.掌握连杆机构的传力特性，包括压力角和传动角、死点位置、机械增益等；正确理解自锁的概念，掌握确定自锁条件的方法。
5,了解平面连杆机构设计的基本问题，掌握根据具体设计条件及实际需要，选择合适的机构型式；学会按2~3个刚体位置设计刚体导引机构、按2~3个连架杆对应位置设计函数生成机构及按K值设计四杆机构；对机构分析与设计的现代解析法有清楚的了解。
二、教学内容及学时分配第一节概述（2学时）第二节平面连杆机构的基本特性及运动分析（4.5学时）第三节平面连杆机构的运动学尺寸设计（3.5学时）三、教学内容的重点和难点重点：1.平面四杆机构的基本型式及其演化方法。
2.平面连杆机构的运动特性，包括存在整转副的条件、从动件的急回运动及运动的连续性；平面连杆机构的传力特性，包括压力角、传动角、死点位置、机械增益。
3.平面连杆机构运动分析的瞬心法、相对运动图解法和杆组法。
4.按给定2~3个位置设计刚体导引机构，按给定的2~3个对应位置设计函数生成机构，按K值设计四杆机构。
难点：1.平面连杆机构运动分析的相对运动图解法求机构的加速度。
2.按给定连架杆的2~3个对应位置设计函数生成机构。
四、教学内容的深化与拓宽平面连杆机构的优化设计。
五、教学方式与手段及教学过程中应注意的问题充分利用多媒体教学手段，围绕教学基本要求进行教学。
在教学中应注意要求学生对基本概念的掌握，如整转副、摆转副、连杆、连架杆、曲柄、摇杆、滑块、低副运动的可逆性、压力角、传动角、极位夹角、行程速度变化系数、死点、自锁、速度影像、加速度影像、装配模式等；基本理论和方法的应用，如影像法在机构的速度分析和加速度分析中的应用、连杆机构设计的刚化一反转法等。
机械原理-第02章 平面连杆机构及其设计 - 平面连杆机构的力分析
件惯性力对机械性能的影响。
G′
2020年4月23日星期四
5
§2-5 平面连杆机构的力分析
WHUT
3、机构力分析的方法
静力分析和动态静力分析。
由于最初设计时，各构件的结构尺寸、形状、材料、质量及 转动惯量未知，因而惯性力（矩）无法确定。此时，一般先 对机构作静强度计算，初步确定各构件尺寸，然后再对构件 进行动态静力分析及强度计算，并以此为依据对各构件作必 要的修正。一般不考虑摩擦力的影响。
(2) 绕定轴转动的构件
a. 回转轴线通过构件质心
S
Pi = 0 Mi = -Js ε ( ε = 0 或 ε ≠0 ) b. 回转轴线不通过质心
Pi = -mas Mi = - Jsε
其中：h=Mi/Pi
2020年4月23日星期四
WHUT
Pi＇ Pi
h S
Mεi
8
§2-5 平面连杆机构的力分析
(3) 作平面复合运动的构件
2020年4月23日星期四
21
WHUT
(2) 判定构件间的相对转向
F
R12
R12
ω21
v
1
2
R23ω23
3Q
ω14
4
R41
R32R32
R43
(3) 判定作用力在摩擦圆上切点位置
Q R23
R21
F
R43 R41
(4) 依据力平衡条件求解
对构件3：Q + R23 + R43 = 0 对构件1：R21 + R41+ F = 0
2020年4月23日星期四
3
§2-5 平面连杆机构的力分析
2、机构力分析的任务和目的
机械原理-平面连杆机构的运动分析和设计
平面连杆机构的设计流程和方法
在这个部分中，我们将深入探讨平面连杆机构的设计，介绍流程和方法，提供实际案例分析，帮助您了解如何设 计成功的机械。
1.
需求分析
将客户的需求转化为机械设计
目标。
2.
构思和设计
基于机械原理构思和设计机械
装备支撑结构，并采用 CAD 软
件实施初始的草图或模型。
3.
材料选择
选择合适的材料和工艺，确保
结构和类型
平面连杆机构通常由零件精细制 造而成，以满足工业和商业目的 的要求。
工程应用
机械工程师们可以使用平面连杆 机构来完成各种复杂的任务，如 发动机和自动化流水线等。
日常应用
平面连杆机构可以进一步应用在 日常用品中，如钟表、洗衣机和 自动售货机等。
平面连杆机构的运动分析方法
在这个部分中，我们将探索平面连杆机构的运动学和动力学，介绍运动方程和速度方程，以及如何用数学 公式计算不同零件的运动和速度。
1 平衡条件
平衡是指物理系统中所有力和运动之间所需达到的状态，这是机械工程师需要考虑的重 要问题。
2 稳定性
稳定性是一个重要的物理学概念，涉及动量、速度和质量，能够帮助工程师在设计平面 连杆机构时考虑不同零件的状态和取向。
3 应用场景
平面连杆机构无处不在，具有开发良好设计的潜力，是自动化流水线的核心，也是钟表、 汽车和机器人的重要部分。
1
运动学
运动学研究物体运动的规律和运动参数，如位移、速度、加速度等。
2
动力学
动力学研究物体的运动状态和运动参数之间的关系，如动量、力和功等。
3
数值模拟
数字计算能够预测机械零件的运动，利用计算机模拟机械过程，提高设计效率。
机械原理第三章平面连杆机构及其设计
b12
C1
B
B2
B1
b. 设计 b12
c12
A
B2
C1
C2
B1
A点所在线
A
D点所在线
D
C C2
D
★ 已知连杆两位置
c23
——无穷解。要唯一解需另加条件 ★ 已知连杆三位置
b23 B3
c23
——唯一解 ★ 已知连杆四位置
——无解 B3
b12 B2 B1
C1 C2
C3
AD
B2 B1
分析图3-20
C2 C1 B4
反平行四边形
车门开闭机构
3)、双摇杆机构
若铰链四杆机构的两连架杆均为摇杆， 则此四杆机构称为双摇杆机构。
双摇杆机构
双摇杆机构的应用 鹤式起重机机构
鹤式起重机
倒置机构：通过更换机架而得到的机构称为原机构的倒置机构。
变化铰链四杆机构的机架
C
B
整转副
2
(<360°)
(0~360°)
3
1
(0~360°)
（1）、取最短构件为机架时，得双曲柄机构。 （2） 、取最短构件的任一相邻构件为机架时，均得曲柄
摇杆机构。 （3）、取最短构件的对面构件为机架时，得双摇杆机构。
判断：所有铰链四杆机构取不同构件为机架时，都能演化成带 曲柄的机构。
例：图示机构尺寸满足杆长条件，当取不同构件为机架时 各得什么机构？
取最短杆相 邻的构件为 机架得曲柄 摇杆机构
最短杆为 机架得双 曲柄机构
取最短杆对 边为机架得 双摇杆机构
特殊情况：
如果铰链四杆机构中两个构件长度相等且均为最短杆 1、若另两个构件长度不相等，则不存在整转副。 2、若另两个构件长度也相等， （1）当两最短构件相邻时，有三个整转副。 （2）当两最短构件相对时，有四个整转副。
《机械原理》-第八章--平面连杆机构及其设计
§ 8-5 多杆机构
1.多杆机构的功用 （1）取得有利的传动角
（2）获得较大的机械利益 （3）改变从动件的运动特性 （4）实现从动件带停歇的运动 （5）扩大机构从动件的行程 （6）使机构从动件的行程可调 （7）实现特定要求下平面导引 结论 由于导杆机构的尺度参数较多，因此它可以满足更为 复杂的或实现更加精确的运动规律要求和轨迹要求。但其设计也 较困难。
c f
A
D
b c f max b c f min c b f min
平面四杆机构的基本知识
假设:
b c fmax a d d>a b c f min d a c b f d a min
a d b c a b c d a c b d
' B'C' D
b2 c 2 (d a)2 arccos 2bc
2 2 2 b c ( d a ) or " 1800 arccos 2bc
平面四杆机构的基本知识
Fr C B
F Ft V C V B F C B
A
B
D
A
D
a e
A
b
B'
α
γ
a
C VC F
多杆机构
2.多杆机构的类型 （1）多杆机构的分类 1）按杆数分 五杆、六杆、八杆机构等； 2）按自由度分 单自由度、两自由度和三自由度多杆机构。 （2）六杆机构的分类 1）瓦特（Watt）型，有Ⅰ型、Ⅱ型两种。
a) 瓦特型
b) 斯蒂芬森型
a) 瓦特Ⅰ型
b) 瓦特Ⅱ型
多杆机构
2）斯蒂芬森（Stephenson）型，有Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型三种。
机械原理平面连杆机构及其设计
3.3按连杆上任意标志线的三组对应位置设计四杆机构
3.4按给定的行程速比系数K设计四杆机构
湖
南 建
§8－4 平面四杆机构的设计
材
高 专
一、 连杆机构设计的基本问题
专
用
作 机构选型－根据给定的运动要求选择机
者 ：
构的类型；
潘
存 云
尺度综合－确定各构件的尺度参数(长度
教 授
尺寸)。
同时要满足其他辅助条件：
K1
湖
南 建
曲柄滑块机构的急回特性
材
高
专
专
用
作 者
θ 180°＋作者θ：潘存云教授
：
潘
存
云
教
180°-θ
授
θ 180°＋θ
作者：潘存云教授
180°-θ
思考题： 对心曲柄滑块机构的急回特性如何？ 导杆机构的急回特性 应用：节省返程时间，如牛头刨、往复式输送机等。
对于需要有急回运动的机构，常常是根据需要的行程速比系数K, 先求出θ ，然后在设计各构件的尺寸。
专
专 用
若∠B1C1D≤90°,则
γ1＝∠B1C1D
作 者
∠B2C2D＝arccos[b2+c2-(d+a)2]/2bc
： 潘 存
若∠B2C2D>90°,
则
γ2＝180°-∠B2C2D
云 教 授
γmin＝[∠B1C1D, 180°-∠B2C2D]min
机构的传动角一般在运动链 最终一个从动件上度量。
将以上三式两两相加得：
a≤ b, a≤c, a≤d
AB为最短杆 若设a>d，同理有：
B’
a
b C’ b c
机械原理与设计之平面连杆机构
机械原理与设计之平面连杆机构引言平面连杆机构是一种常见的机械装置，用于将旋转运动转化为直线运动或者将直线运动转化为旋转运动。
在机器设计中，平面连杆机构被广泛应用于各种机械装置，如发动机、机械手臂和汽车悬挂系统等。
本文将介绍平面连杆机构的基本原理、设计方法以及一些常见的平面连杆机构。
基本原理平面连杆机构由多个连杆组成，其中至少一个连杆可以旋转。
连杆通过连接处的铰链相互连接，形成一个闭合的链条。
其中一个连杆称为曲柄杆，用于提供旋转驱动力，而其他连杆则用于将驱动力传递给要执行的任务。
平面连杆机构的运动分析主要基于几何学原理和运动学原理。
平面连杆机构的运动是由各个连杆的长度、角度和运动速度决定的。
通过对各个连杆的长度和角度进行合理设计，可以实现所需的运动轨迹和速度。
平面连杆机构的设计必须考虑到各个连杆的运动约束、力学平衡以及运动的精确性和可靠性。
设计方法设计一个平面连杆机构需要经过以下几个步骤：1.确定设计需求：首先需要明确所需的运动特性和任务要求。
例如，是需要将旋转运动转化为直线运动还是将直线运动转化为旋转运动，还需要考虑到运动的速度、力量和精确性等因素。
2.确定连杆的长度和角度：通过几何学原理和运动学原理，可以根据设计需求确定各个连杆的长度和角度。
连杆的长度和角度直接影响着机构的运动轨迹和速度。
3.确定连杆的连接位置：在设计过程中，还需要确定各个连杆的连接位置，即铰链的位置。
铰链的位置直接决定了连杆之间的运动关系。
4.分析运动特性：通过运动学分析，可以计算出机构的运动特性，如连杆的位移、速度和加速度等。
这些数据可以用于评估机构的性能和合理性。
5.进行力学分析：在设计过程中，还需要进行力学分析，以确保机构的稳定性和可靠性。
力学分析可以确定机构的最大负载和各个连杆之间的力传递情况。
6.优化设计：根据运动特性和力学分析的结果，可以对设计进行优化。
通过调整连杆的长度、角度和连接位置等参数，可以改进机构的性能和可靠性。
机械原理-平面连杆机构及设计
曲柄滑块机构有曲柄的条件
B
a
b
C’
C
e
A
b a
B’
显然，需满足: a+e ≤ b
B a
b C”
e
B’
B”
A
C C’
导杆机构有曲柄的条件
摆动导杆机构有曲柄的条件
d- a d
a
B
A
B’
C E’ E
e ≤ d-a
转动导杆机构有曲柄的条件
B a A
CE
d+e ≤ a
d+e d
二、平面四杆机构输出件的急回特性
B2
B1 C
=
DБайду номын сангаас
平行四边形机构
B
b
a
B’
A
d
C C’
c
D
反平行四边形机构
B a
A
A
C 23
C1
D
1
B
B1
4
d
D
b c
C
平 行 四 边 形 机 构
• 实现轨迹：刀刃按一定 轨迹运动
• 实现速度要求：在剪切 区的水平速度有要求
二、平面四杆机构的设计
设计方法
– 几何法 – 解析法 – 实验法
1、给定连杆位置设计四杆机构
C1
C2
B1
C3
B2
B3
A D
2、给定行程速度变化系数设计四杆机构
• 铰链四杆机构-设计过程 • 曲柄滑块机构-设计过程 • 导杆机构-设计过程
δmin
B’’
A
d B’
D
γmin=[δmin , 180-δmax]min δ= arccos{[b2+c2-d2-a2+2adcos]/2bc}.
机械原理 平面连杆机构及设计课件
仿真分析
利用计算机仿真软件对机构进行模拟分析， 评估其性能。
实验测试
通过实际测试机构的性能，与理论分析进行 对比验证。
优化算法
采用遗传算法、粒子群算法等智能优化算法 ，对机构参数进行优化。
04
平面连杆机构的运 动分析
机构运动的基本方程
01
平面连杆机构的基本运动方程是 根据机构的运动学和动力学特性 建立的，它描述了机构中各构件 之间的相对运动关系。
刚度对机构性能的影响
刚度不足会导致机构运动失 真、振动等问题，影响其正 常工作。
06
平面连杆机构的实 例分析
曲柄摇杆机构的实例分析
曲柄摇杆机构是一种常见的平面连杆机构，它由曲柄、摇杆、连杆和机架组成。 曲柄旋转，通过连杆传递运动给摇杆，使摇杆在一定范围内摆动。
实例：缝纫机脚踏板机构。缝纫机脚踏板机构就是一个典型的曲柄摇杆机构的应 用。当脚踏板转动时，通过连杆将运动传递给摇杆，使机头上下摆动，完成缝纫 工作。
应力分析
通过计算机构各构件在工作状态下的应力分布，评估其强度是否 满足设计要求。
疲劳强度
考虑机构在循环载荷作用下的疲劳强度，预测其使用寿命。
可靠性分析
基于概率论和统计学方法，评估机构在各种工作条件下的可靠性。
机构的刚度分析
刚度定义
刚度表示机构抵抗变形的能 力。
刚度分析方法
通过有限元分析、实验测试 等方法，评估机构的刚度性 能。
双曲柄机构的实例分析
双曲柄机构由两个曲柄、连杆和机架组成。两个曲柄同时旋 转，通过连杆传递运动，使另一个曲柄产生相对的旋转运动 。
实例：飞机起落架机构。飞机起落架机构中的前轮转向机构 就是一个双曲柄机构的应用。当飞机滑行时，双曲柄机构使 前轮左右摆动，实现飞机的前轮转向。
机械原理与设计平面连杆机构
机械原理与设计平面连杆机构引言连杆机构是机械工程中非常重要的一类机构，广泛应用于各种机械装置中。
平面连杆机构是其中最简单、常见的一种连杆机构。
本文将介绍机械原理与设计平面连杆机构的基本概念、工作原理及设计要点。
一、连杆机构的基本概念连杆机构是指由刚性杆件连接而成的机械系统，它具有一定的自由度和特定的运动特性。
平面连杆机构是指所有杆件均在同一平面内运动的连杆机构。
平面连杆机构由连杆、铰链和主动副组成。
连杆：连杆是连接其他杆件的刚性杆件，具有一定的长度和形状。
铰链：铰链是连接连杆的关节，它允许连杆相对旋转，保持一定的约束。
主动副：主动副是指能够驱动整个机构运动的关节，通常由电机或气动装置驱动。
二、平面连杆机构的工作原理平面连杆机构的工作原理是利用连杆的长度、角度和铰链的位置来实现特定的运动。
在平面连杆机构中，主要有以下几种常见的运动形式：1.顺序运动：当主动副驱动时，各个连杆按照一定的顺序依次运动。
这种运动形式常见于内燃机的活塞连杆机构。
2.并联运动：当多个连杆同时受到主动副驱动时，它们以同步的方式进行运动。
这种运动形式可以用来实现机械手臂等装置的运动。
3.逆运动：当主动副驱动时，连杆和铰链的位置发生变化，使机构实现逆向运动。
这种运动形式常见于一些特殊装置的设计。
平面连杆机构的工作原理和运动形式可以通过机械原理的分析和运动学的计算来实现。
其中，机械原理用来推导连杆运动的基本方程，而运动学则用来分析连杆机构的运动特性和运动关系。
三、平面连杆机构的设计要点在设计平面连杆机构时，需要考虑以下几个要点：1.运动要求：根据具体的工作要求，确定机构需要实现的运动形式和工作速度等指标。
2.运动范围：根据工作空间和杆件的长度等约束条件，确定连杆机构的运动范围。
3.结构强度：根据承载力和杆件的材料等因素，设计连杆机构的结构强度和刚度，以确保机构的正常工作。
4.运动平稳性：通过运动学计算和动力学分析，确定机构的运动是否平稳，以及如何减小振动和冲击力。
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•法向分力: F”= Fcosγ•γ↑•→ F’↑•→对传动有利。
•可用γ的大小来表示机构传动力性能的好坏,
•称 γ 为 传 动 角 。 •为了保证机构良好的传力性能
•设计时要求: γmin≥50°
•γmin出现的位置：
•B
•B
•C
•γ
• F•F”’ •C •γ•F•α
•F
•F”
•F’
•当∠BCD≤90°时，
•称K为行程速比系数。•只要 θ ≠ 0 ， 就有 K>1
•且θ越大，K值越大，急回性质越明显。
•设计新机械时，往往先给定K值，于是:
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机械原理与设计平面连杆机构
•2.压力角和传动角 •压力角：
•从动件驱动力F与力作用点绝对速度之间所夹锐角。
•切向分力: F’= Fcosα•=Fsinγ
机械原理与设计平面连杆机构
•三类设计要求：
•1)满足预定的运动规律，两连架杆转角对应，如: • 飞机起落架、函数机构。 •2)满足预定的连杆位置要求，如铸造翻箱机构。
•3)满足预定的轨迹要求，如: 鹤式起重机、搅拌机等。
•A •B
•C
•C
•E
•B
•D
•Q
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•Q •A
•鹤式起重机
•要求连杆上E点的轨 迹为一条水平直线
•B’ •C’
•B
•C
•A
•D
•C •C •电机
•蜗轮 •••B•BBA
••AA
•D
••蜗蜗杆杆
•风扇座
•D •C
•A ••EE
•B
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机械原理与设计平面连杆机构
•1.急回运动
•在曲柄摇杆机构中，当曲柄与连杆两次共线时，摇
杆位于两个极限位置，简称极位。
•此两处曲柄之间的夹角θ 称为极位夹角。
•C
2
••bγ1
1
•c
•A •a
•D
•B •d
1
•α•F •γ
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•v
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•3.机构的死点位置
•摇杆为主动件，且连杆
与曲柄两次共线时，有： •γ＝0
•此时机构不能运动. •F
•称此位置为：•“死 •避免措施： 点”
•γ＝ 0
•F •γ＝ 0
• 两组机构错开排列，如火车轮机构;
•靠飞轮的惯性（如内燃机、缝纫机等）。
•B’
•F’
•C’
•A’
•E’
•D’
•G
’
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•A
•E
•D
•B
•F
•C
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•G
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•也可以利用死点进行工作：飞机起落架、钻夹具等。
•C •D
••AA
••γB =0
•C
•B •飞机起落架
•B •B’
•C •C’
•A
•D
•实例：火车轮 •摄影平台 •播种机料斗机构
•天平
•A
•AB = CD •BC = AD
••BB
•C
•B •B
•C
•A
•D
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•D •C
•耕 地
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•料 斗
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•平 行 四 边 形 机 构 在 共 线 位 置 出 现 运动不确定•。采 用 两 组 机 构 错 开 排 列 。
•特点： • ①采用低副。面接触、承载大、便于润滑、不易磨损 • 形状简单、易加工、容易获得较高的制造精度。 •②改变杆的相对长度，从动件运动规律不同。
•③连杆曲线丰富。可满足不同要求。
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机械原理与设计平面连杆机构
•缺点： •①构件和运动副多，累积误差大、运动精度低、效率低。 •②产生动载荷（惯性力），不适合高速。 •③设计复杂，难以实现精确的轨迹。
•连杆—作平面运动的构件；
•摇杆—作定轴摆动的构件；
•连架杆—与机架相联的构件；
•周转副—能作360°相对回转的运动副；
•摇杆
•摆转副—只能作有限角度摆动的运动副。 •三种基本型式：
•（1）曲柄摇杆机构
•特征：曲柄＋摇杆
•作用：将曲柄的整周回转转变为摇杆的往复摆动。
•
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如雷达天线。 自用盘编号JJ321002
•F
•P
•B •B •2 •C
•2 •C •γ=0
•工件 •1•1
•3•3
•A •A
•P ••DD
•4 •T
•钻孔夹 具
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•§2－2 铰链四杆机构有整转副的条件
•平面四杆机构具有整转副→可能存在曲柄。
•杆1为曲柄，作整周回转，必有两次与机架共线
•A •A
••DD
• γ＝∠BCD
•当∠BCD>90°时， • γ＝180°- ∠BCD
•当∠BCD最小或最大时，都有可能出现γmin
•此位置一定是：主动件与机架共线两处之一。
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机械原理与设计平面连杆机构
•由余弦定律有：
•
∠B1C1D＝arccos[b2+c2-(d-a)2]/2bc
•三类设计要求：
•1)满足预定的运动规律，两连架杆转角对应，如: • 飞机起落架、函数机构。
•A •D
•C’ •B’
•B •C
•飞机起落架
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•x •B
•A
•D
•C •y=logx •函数机构
•要求两连架杆的转 角满足函数
y=logx
机械原理与设计平面连杆机构
机械原理与设计平面连杆机构
•1
•A •B •D•C•2
•3
•C
•2 •3
•B •1
•4 •D •A
•6 •E
•惯性筛机构
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•旋转式叶片泵
•A •4
•D
•1 •B •2
•C •3
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•特例：平行四边形机
•构特征：两连架杆等长且平行，
•
连杆作平动
•若∠B1C1D≤90°,则•γ1＝∠B1C1D
• ∠B2C2D＝arccos[b2+c2-(d+a)2]/2bc
•若∠B2C2D>90°, 则•γ2＝180°-∠B2C2D
•γmin＝[∠B1C1D, 180°-∠B2C2D]min
•机构的传动角一般在运动 链最终一个从动件上度量。
•B
2
•车门
•C•γ2
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•例：选择双滑块机构中的不同构件 • 作为机架可得不同的机构
•2 •1
•3 •4
•正弦机构
•2
•1 •4
•3
•椭圆仪机 构
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•§2－4 平面四杆机构的设计
• 连杆机构设计的基本问题
•B’
•F’
•C’
•A’
•E’
•D’
•G
’
•A
•E
•D
•G
•B
•F
•C
•反平行四边形机构•--车门开闭机构
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•反
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机械原理与设计平面连杆机构
•（3）双摇杆机构 •特征：两个摇杆 •应 用 举 例 ： 铸 造 翻 箱 机•、风扇摇头机构 •构特例：等腰梯形机构－汽车转向机构
•B
•1
•2 •3
•A
•4 •C
•曲柄滑块机构
•B
•1
•2 •3
•B
•1
•2 •3
•A
•4 •C
•摇块机构
•A •1 •B
•4 •2
•A
•4 •C
•导杆机构
•C •3
•A
••4•4A
•1 •B
•2
•3 •C
•直动滑杆机构 •手摇唧筒
•这种通过选择不同构件作为机架以获得不同机构的
方法称为： •机构的倒置
•C
•180°＋θ•ω•B•θ 2
•C•C
1
•曲柄摇杆机构
•A •B1
••DD
3D
•B2
•当曲柄以ω逆时针转过180°+θ时，摇杆从C1D位
置
•所花时间为t1 , 平均速度为V1,那么有：
•摆到C2D。
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机械原理与设计平面连杆机构
•当曲柄以ω继续转过180°-θ时，摇杆从C2D,置摆到
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•C•C
•2 •3•3
•3
•B •1 •4 •D
•3
•2
•A
•雷达天线俯仰机 构 •（2）双•曲曲柄柄主机动构
•特征：两个曲柄
•4
•2
•1
•4
•1 •摇杆主动
•缝纫机踏板机构
•作用：将等速回转转变为等速或变速回转。
•应用实例：如叶片泵、惯性筛等。
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